JPH04230994A - Improved graphite nipple electrode - Google Patents

Improved graphite nipple electrode

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JPH04230994A
JPH04230994A JP3059588A JP5958891A JPH04230994A JP H04230994 A JPH04230994 A JP H04230994A JP 3059588 A JP3059588 A JP 3059588A JP 5958891 A JP5958891 A JP 5958891A JP H04230994 A JPH04230994 A JP H04230994A
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キース・エム・ルーセル
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Abstract

PURPOSE: To provide a graphite nipple suitable for connection of a graphite electrode by containing mesophase pitch carbon fibers in a nipple extrusion blend, extruding the blend, and baking it at the specified temperature for graphitizing. CONSTITUTION: Carbon fibers manufactured from mesophase pitch having a melting point of less than 350 deg.C are mixed with cokes and a binder, a mixture is extruded to firm an extruded blend. The extruded blend is extruded to form a carbon nipple. The carbon nipple is baked at a temperature exceeding about 538 deg.C for sufficient time, then the baked carbon nipple is heated at a temperature exceeding about 2704 deg.C for graphitization. A graphite nipple suitable for connection of a graphite electrode is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、グラファイト電極を接
続するために好適なグラファイトニップルの製造方法に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a graphite nipple suitable for connecting graphite electrodes.

【0002】0002

【従来の技術および課題】電熱プロセスにおいて炭素お
よびグラファイト電極を使用することは、充分に確立さ
れたことである。例えば、超高電力グラファイト電極は
、特殊な合金スチールの製造に特に有用である。電熱炉
において使用される金属および他の原料を溶融させるた
めに必要な高温は、高アンペア数の電流を、電極と装入
材料との間に達成されたアークとして通じることにより
得られる。得られた高温アークは、所望の融解、溶融あ
るいは他の電熱作用を生み出す。
BACKGROUND OF THE INVENTION The use of carbon and graphite electrodes in electrothermal processes is well established. For example, ultra-high power graphite electrodes are particularly useful in the production of special alloy steels. The high temperatures necessary to melt metals and other raw materials used in electric furnaces are obtained by passing a high amperage current as an arc is achieved between the electrode and the charge material. The resulting hot arc produces the desired melting, melting, or other electrothermal effect.

【0003】通常の炉操作において、一連の電極が相互
に取り付けられて、堅牢な電極カラムを構成する。プロ
セス中に電極が消費されるので、電極カラムは、付加的
な電極を取り付けることにより長さが維持される。
[0003] In normal furnace operation, a series of electrodes are attached to each other to form a robust electrode column. As electrodes are consumed during the process, the electrode column is maintained in length by attaching additional electrodes.

【0004】電極を接続して電気炉用のカラムとするた
めに最も普通に採用されている方法は、隣接する電極の
雌端部(ソケット)を接続するグラファイト製のねじ込
み雄セクション(ニップル)からなるアッセンブリを構
成することである。このアッセンブリは、電極ジョイン
トと呼ばれ、これがこの目的のための最もよいシステム
であることを支持する多くの議論があり、その操作に関
する全てのファクターが考慮されている。グラファイト
ニップルは、それが支持するカラムと比較して減少した
断面を有することが必要である。それ故、ニップルは、
通常、カラムの他の部分よりも高い引張強さを持つべき
である。しかしながら、増大した強さに寄与するある種
の物理的性質は、また、熱膨脹のような他の性質をきわ
だたせる。ニップルの径方向の熱膨脹が、それを接続す
る電極ソケット(およびその中にニップルが囲包される
)の熱膨脹を越えると、ジョイントが加熱されたとき、
および加熱ジョイントが急激に冷却されたときにも、膨
脹するニップルによって激しい引張(またはフープ)応
力がソケット壁内に発生する。これら応力は、ソケット
材料の引張強さを充分に越え得る。この応力のかかった
状態の結果、ソケット壁は、しばしば、裂け、この裂け
の下のカラム部分が、しばしば失われる。
The most commonly employed method for connecting electrodes into columns for electric furnaces is through threaded male graphite sections (nipples) connecting the female ends (sockets) of adjacent electrodes. The purpose of this is to construct an assembly. This assembly is called an electrode joint, and there are many arguments in favor of it being the best system for this purpose, considering all factors regarding its operation. It is necessary that the graphite nipple has a reduced cross section compared to the column it supports. Therefore, the nipple is
Usually it should have a higher tensile strength than the rest of the column. However, certain physical properties that contribute to increased strength also accentuate other properties, such as thermal expansion. When the joint is heated, when the radial thermal expansion of the nipple exceeds the thermal expansion of the electrode socket to which it connects (and in which the nipple is enclosed),
And also when the heating joint cools down rapidly, severe tensile (or hoop) stresses are generated in the socket wall by the expanding nipple. These stresses can well exceed the tensile strength of the socket material. As a result of this stressed condition, the socket wall often splits and the column portion beneath the split is often lost.

【0005】大径(例えば直径18インチないし28イ
ンチ)の超高電力グラファイト電極の製造に針状(プレ
ミアム)コークスを使用することが望ましい、というこ
とが当該技術分野で知られている。そのような電極に満
足できるニップルを提供することには、多くの問題があ
った。プレミアムコークスをこのようなニップルの製造
に使用する場合、得られる製品が、ある種の性質におい
て、接続された電極と異なっていることが望ましい。そ
のような性質の1つは、熱膨脹係数(CTE)である。 エレクトリック・ファーニス・プロシーディングズ(1
976)の第280頁に述べられているように、「電極
プラスピン(ニップル)組合せのCTEは、ジョイント
接続に重要である。理想的には、最もよい組合せは、ピ
ンがより高いラジアル(横断)CTEを有し、電極がよ
り高い縦方向CTEを有するものである。そのような組
合せは、電極が熱くなるにつれ、密な接続を生じる。他
方、ピンがより高い縦方向CTEを有し、電極がより高
いラジアルCTEを有すると、緩いジョイントおよび故
障となる」。
It is known in the art that it is desirable to use needle (premium) coke in the production of large diameter (eg, 18 inches to 28 inches in diameter), ultrahigh power graphite electrodes. There have been many problems in providing a satisfactory nipple for such electrodes. When premium coke is used for the production of such nipples, it is desirable that the resulting product differs in certain properties from the connected electrode. One such property is the coefficient of thermal expansion (CTE). Electric Furnace Proceedings (1)
976), p. 280, "The CTE of the electrode plus pin (nipple) combination is important for joint connections. Ideally, the best combination is that the pin has a higher radial ) CTE and the electrodes have a higher longitudinal CTE. Such a combination results in a tight connection as the electrodes heat up. On the other hand, the pins have a higher longitudinal CTE and If the electrode has a higher radial CTE, it will result in loose joints and failure.

【0006】トーマスへの米国特許第2,969,25
1号は、か焼プレミアムコークス、グラファイト等の炭
素材料をバインダーとして作用するピッチまたはビチュ
ーメン材料と混合することにより製造された、ニップル
のような炭素電極ジョイントに関する。この特許には、
CTEの様々な値が示されている。
US Pat. No. 2,969,25 to Thomas
No. 1 relates to a nipple-like carbon electrode joint made by mixing a carbon material such as calcined premium coke, graphite, with a pitch or bituminous material acting as a binder. This patent includes:
Various values of CTE are shown.

【0007】パウスらへの米国特許第3,540,76
7号は、電極の合わせ面の間に位置するエキスパンドグ
ラファイト材料からなる電極ジョイントを開示している
。このスペーサーは、グラファイトバインダー、および
製品を強化し、導電性を改善するための、金属、粉末ま
たはフィラメント、ガラス繊維のような繊維系強化材料
、クレー等の他の材料からなる。
US Pat. No. 3,540,76 to Paus et al.
No. 7 discloses an electrode joint made of expanded graphite material located between mating surfaces of the electrodes. The spacer consists of a graphite binder and other materials such as metals, powders or filaments, fiber-based reinforcing materials such as glass fibers, clay, etc. to strengthen the product and improve electrical conductivity.

【0008】米国特許第4,352,768号は、電気
化学電池用の繊維強化カソードであって、炭素カソード
が、グラファイト、粉末、カーボンブラックバインダー
、およびカソードを強化するための炭素繊維添加材を包
含するものに関する。
US Pat. No. 4,352,768 discloses a fiber-reinforced cathode for an electrochemical cell in which the carbon cathode contains graphite, a powder, a carbon black binder, and a carbon fiber additive to strengthen the cathode. Concerning what is included.

【0009】本発明は、グラファイト電極を接続するた
めに好適な改善されたグラファイトニップルを製造する
ことを課題とする。
It is an object of the present invention to produce an improved graphite nipple suitable for connecting graphite electrodes.

【0010】0010

【課題を解決するための手段】本発明によれば、炭素繊
維を含有する典型的なニップル押出しブレンドから改善
されたグラファイトニップルが製造される。本発明は、
また、そのようなグラファイトニップル、および電極が
そのようなニップルで接続されているところのプレミア
ムコークス電極カラムの製造をも包含する。ポリアクリ
ロニトリルのようないずれもの原料からの炭素繊維を用
いることができるが、好ましい態様においては、ピッチ
系原料から調製された炭素繊維が用いられる。最も好ま
しい態様において、炭素繊維は、メソフェーズピッチか
ら調製され、この繊維は、優れたCTEを有する。
SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, improved graphite nipples are produced from typical nipple extrusion blends containing carbon fibers. The present invention
It also encompasses the manufacture of such graphite nipples and premium coke electrode columns to which electrodes are connected with such nipples. Although carbon fibers from any source such as polyacrylonitrile can be used, in preferred embodiments carbon fibers prepared from pitch-based materials are used. In the most preferred embodiment, the carbon fibers are prepared from mesophase pitch and the fibers have excellent CTE.

【0011】以下、本発明をさらに詳しく説明する。The present invention will be explained in more detail below.

【0012】スチールの製造のための電気アーク炉に使
用されるグラファイト電極は、通常、針状またはプレミ
アムグレードのコークスから製造される。コークス、特
にプレミアムコークスの品質は、しばしば、その熱膨脹
係数により測定され、その値は、好ましくは、微粉砕粉
末製品で、9×10−7/℃を、最も好ましくは、3×
10−7/℃を越えるべきでない。しかしながら、電極
は、最大粒子サイズ約1/2インチからミクロンオーダ
ーのサイズの微粉までの粒子サイズ分布を有するコーク
スから調製される。好ましいけれども、臨界的ではない
態様において、コークスの粒子サイズは、10ないし5
0重量%が+20メッシュであり、粒子の少なくとも2
0重量%が40メッシュ未満であろう。電極における石
油コークス原料の粒子サイズ分布および構造は、電極製
造プロセスを通じて実質的に保持される。得られるグラ
ファイト化試料は、最終グラファイト製品が、原料の粒
子サイズ分布および構造により一部特徴付けられ得るよ
うに、顕微鏡的方法により検査することができる。
[0012] Graphite electrodes used in electric arc furnaces for the production of steel are usually made from acicular or premium grade coke. The quality of coke, especially premium coke, is often measured by its coefficient of thermal expansion, which value is preferably 9 x 10-7/°C, most preferably 3 x
Should not exceed 10-7/°C. However, the electrodes are prepared from coke having a particle size distribution from a maximum particle size of about 1/2 inch to a fine powder on the order of microns in size. In a preferred but non-critical embodiment, the coke particle size is between 10 and 5
0% by weight is +20 mesh and at least 2 of the particles
0% by weight would be less than 40 mesh. The particle size distribution and structure of the petroleum coke feedstock in the electrode is substantially retained throughout the electrode manufacturing process. The resulting graphitized sample can be examined by microscopic methods so that the final graphite product can be characterized in part by the particle size distribution and structure of the raw material.

【0013】電極および/またはグラファイトニップル
製造プロセスを実施するに当り、か焼された細別石油コ
ークスをバインダー、典型的には、コールタールピッチ
、および少量の鉄酸化物と混合する。鉄酸化物は、以後
の電極グラファイト化プロセス中に高硫黄石油コークス
の「パフィング(puffing )を制御するために
使用される。潤滑剤として、少量の粘稠な石油をこの混
合物に添加してもよい。このコークス、ピッチおよび鉄
酸化物の混合物を、ピッチの軟化点に近い温度で押し出
して、要求される最終寸法をほぼ有するグリーンの電極
または炭素ニップルを成形する。通常、電極は、直径が
約18ないし約28インチであり、長さは様々であり得
、またグラファイト化品から加工されたニップルは、通
常、直径が約8ないし12インチである。
In carrying out the electrode and/or graphite nipple manufacturing process, calcined shredded petroleum coke is mixed with a binder, typically coal tar pitch, and a small amount of iron oxide. Iron oxides are used to control the "puffing" of high sulfur petroleum coke during the subsequent electrode graphitization process.A small amount of viscous petroleum can also be added to this mixture as a lubricant. This mixture of coke, pitch and iron oxide is extruded at a temperature close to the softening point of the pitch to form a green electrode or carbon nipple having approximately the required final dimensions. The length can vary from about 18 to about 28 inches, and nipples fabricated from graphitized products typically have a diameter of about 8 to 12 inches.

【0014】グリーン電極は、華氏約1000度(53
8℃)から華氏約2000度(1093℃)まで、好ま
しくは、華氏約1400度(760℃)ないし華氏約1
800度(982℃)の温度で焼成され、その間にバイ
ンダーは、炭素化されて堅牢体を形成する。一般に、焼
成プロセスにおいて、約2週間ないし約5週間の滞留時
間が採用される。この焼成プロセスに続き、電極は、含
浸性ピッチで含浸し、再焼成して、最終的に、より高い
密度および強度並びにより低い電気抵抗を有する電極ま
たは炭素ニップルを提供するようにしてもよい。
The green electrode has a temperature of approximately 1000 degrees Fahrenheit (53 degrees Fahrenheit).
8°C) to about 2000°F (1093°C), preferably from about 1400°F (760°C) to about 1°F
It is fired at a temperature of 800 degrees (982 degrees Celsius), during which the binder is carbonized to form a solid body. Generally, residence times of about 2 weeks to about 5 weeks are employed in the firing process. Following this firing process, the electrode may be impregnated with an impregnating pitch and refired to ultimately provide an electrode or carbon nipple with higher density and strength and lower electrical resistance.

【0015】コールタールピッチが好ましいバインダー
であるが、ナフサのクラッキング工業で副生物として得
られる石油ピッチ、天然アスファルトおよび重油、石油
アスファルトから得られる高炭素含量ピッチ、さらには
、種々の工業生産プロセスで副生物として得られるピッ
チの性質を有する他の物質、のような他のピッチを用い
てもよい。さらに、メソフェーズピッチも使用できる。 「メソフェーズ」は、液晶と同義であり、結晶質固体と
等方性液体との中間の物質状態を示す技術用語である。
Coal tar pitch is the preferred binder, but petroleum pitch obtained as a by-product in the naphtha cracking industry, natural asphalt and heavy oil, high carbon content pitch obtained from petroleum asphalt, as well as petroleum pitch obtained as a by-product in the naphtha cracking industry, as well as high carbon content pitch obtained from petroleum asphalt, are used in various industrial production processes. Other pitches may be used, such as other materials having the properties of pitch obtained as a by-product. Additionally, mesophase pitch can also be used. "Mesophase" is synonymous with liquid crystal, and is a technical term indicating a state of matter intermediate between a crystalline solid and an isotropic liquid.

【0016】最終プロセス工程は、グラファイト化であ
る。焼成された炭素電極および/または炭素ニップル品
を絶縁材料により囲まれた炉中に仕込み、電極または炭
素ニップルをグラファイト化するに充分な時間、華氏5
400度(2982℃)までの温度に、特には、華氏約
4900度(2704℃)ないし華氏約5400度(2
982℃)の温度に熱する。これら温度は、電極および
ニップル品中の非晶質炭素を結晶質グラファイト状態に
変換するために必要である。一般に、炭素電極をグラフ
ァイト状態に変換するために、約5日ないし約14日の
滞留時間で充分である。
The final process step is graphitization. The fired carbon electrode and/or carbon nipple article is placed in a furnace surrounded by insulating material and heated to 5° F. for a sufficient time to graphitize the electrode or carbon nipple.
Temperatures up to 400 degrees Fahrenheit (2982 degrees Celsius), particularly from about 4900 degrees Fahrenheit (2704 degrees Celsius) to about 5400 degrees Fahrenheit (2704 degrees Celsius)
Heat to a temperature of 982°C). These temperatures are necessary to convert the amorphous carbon in the electrode and nipple articles to the crystalline graphite state. Generally, a residence time of about 5 days to about 14 days is sufficient to convert the carbon electrode to the graphite state.

【0017】本発明のニップルが生成されるところのグ
ラファイト品は、細別プレミアム(か焼)コークスを炭
素質バインダーおよび鉄酸化物と混合して押し出しブレ
ンドを作る工程まで電極と同様に処理される。上に述べ
た電極と比較して、ニップル品を調製する際の大きな違
いは、押し出し前に、メソフェーズピッチから調製され
た炭素繊維を押し出しブレンドに添加することである。 ニップル品の調製に用いられる原料の組成は、通常、約
40ないし約72重量%の、好ましくは、約45ないし
約65重量%の、プレミアムコークス、約5ないし約2
5重量%の、好ましくは、約8ないし約20重量%の、
メソフェーズピッチから調製された炭素繊維、約20な
いし約30重量%の、好ましくは、約22ないし約28
重量%の、バインダー、および約0ないし約3重量%の
、特には、約0.01ないし約2.5重量%の、鉄酸化
物である。存在する場合には、任意的な石油系潤滑剤は
、原料の約5重量%まで、好ましくは、約0.01ない
し約4重量%を構成し得る。
The graphite article from which the nipple of the present invention is produced is processed similarly to the electrode, up to the step of mixing the shredded premium (calcined) coke with a carbonaceous binder and iron oxide to form an extrusion blend. Compared to the electrodes mentioned above, the major difference in preparing nipple products is the addition of carbon fibers prepared from mesophase pitch to the extrusion blend before extrusion. The composition of the raw materials used in the preparation of nipple products is usually about 40 to about 72% by weight, preferably about 45 to about 65% by weight, premium coke, about 5 to about 2% by weight.
5% by weight, preferably about 8 to about 20% by weight,
Carbon fiber prepared from mesophase pitch, about 20 to about 30% by weight, preferably about 22 to about 28%
% by weight of a binder, and from about 0 to about 3% by weight, particularly from about 0.01 to about 2.5% by weight, of iron oxide. When present, the optional petroleum-based lubricant may constitute up to about 5%, preferably from about 0.01 to about 4% by weight of the feedstock.

【0018】グラファイト化後、製品を加工して所望の
ニップル製品とする。これは、通常、中間部から各端部
へとテーパ付られ、ネジが切られている。ニップルを収
容するため、電極は、各端部において穿孔され、成形さ
れ、ニップルを受けるためにネジが切られる。
After graphitization, the product is processed into the desired nipple product. It is usually tapered and threaded from the middle to each end. To accommodate the nipple, the electrode is drilled and shaped at each end and threaded to receive the nipple.

【0019】本発明のニップル品の押し出しブレンドに
用いされる炭素繊維は、ピッチから製造される。本発明
において炭素繊維の前駆体であるメソフェーズピッチの
調製のための好適な供給原料は、重質芳香族石油流、エ
チレンクラッカータール、石炭誘導体、石油熱タール、
流動接触クラッカー残渣および芳香族留分のような材料
を含み、華氏650度ないし950度の沸点を有する。 メソフェーズピッチは、炭素質供給原料を約350℃な
いし約500℃の温度で、約1時間ないし約30時間熱
ソーキングすることにより都合よく生成する。普通、熱
ソーキング工程は、例えば窒素ガスのような不活性雰囲
気を用いておこなわれる。メソフェーズピッチの生成を
増大させるために、空気、酸素または他の酸化性ガスを
炭素質供給原料に吹き込んでもよい。この熱ソーキング
段階の間に、炭素質供給原料の一部、例えば、メソゲン
は、結合し、炭素質供給原料内で分離したメソフェーズ
ピッチを生成する。こうして製造されたメソフェーズピ
ッチは、相互作用により相互に会合し光学的に秩序だっ
た液晶を形成する芳香族構造を有する分子を包含し、該
液晶は、熱ソーキング工程中に特別の様態で配列し、こ
れは、偏光された光を用いた光学顕微鏡を用いて観察で
きる。
The carbon fiber used in the extrusion blend of the nipple article of the present invention is made from pitch. Suitable feedstocks for the preparation of mesophase pitch, which is a precursor of carbon fibers in the present invention, include heavy aromatic petroleum streams, ethylene cracker tar, coal derivatives, petroleum tar,
It contains materials such as fluidized catalytic cracker residue and aromatic fractions and has a boiling point of 650 degrees Fahrenheit to 950 degrees Fahrenheit. Mesophase pitch is conveniently produced by heat soaking a carbonaceous feedstock at a temperature of about 350°C to about 500°C for about 1 hour to about 30 hours. Typically, the heat soaking step is performed using an inert atmosphere, such as nitrogen gas. Air, oxygen or other oxidizing gases may be blown into the carbonaceous feedstock to increase production of mesophase pitch. During this heat soaking step, a portion of the carbonaceous feedstock, eg, mesogens, combines to produce mesophase pitch separated within the carbonaceous feedstock. The mesophase pitch thus produced contains molecules with an aromatic structure that associate with each other by interaction to form optically ordered liquid crystals, which are arranged in a special manner during the heat soaking process. , which can be observed using an optical microscope using polarized light.

【0020】かくして製造されたメソフェーズピッチは
、350℃未満の軟化点を有する。メソフェーズピッチ
の軟化点は、前駆体ピッチを評価するための標準として
広く受け入れられているメトラー(Mettler )
軟化点手法により、または熱ステージ検鏡法により決定
される。熱ステージ検鏡法を利用する場合、メソフェー
ズピッチを顕微鏡熱ステージ上で不活性雰囲気中偏光光
の下で加熱する。メソフェーズピッチの温度は、それが
変形し始めるまで制御された速度で上昇される。メソフ
ェーズピッチが変形し始める温度は、軟化温度として記
録される。メソフェーズピッチは、好ましくは、約35
0℃未満の軟化点を有する。この温度を越えると、メソ
フェーズピッチは、グラファイトニップルの性質を増強
するための所望の物理的および化学的性質を有する炭素
繊維に紡糸することができないからである。
The mesophase pitch thus produced has a softening point of less than 350°C. The softening point of mesophase pitch is determined by the Mettler method, which is widely accepted as a standard for evaluating precursor pitches.
Determined by softening point techniques or by thermal stage microscopy. When utilizing the thermal stage microscopy method, the mesophase pitch is heated under polarized light in an inert atmosphere on a microscope thermal stage. The temperature of the mesophase pitch is increased at a controlled rate until it begins to deform. The temperature at which the mesophase pitch begins to deform is recorded as the softening temperature. The mesophase pitch is preferably about 35
It has a softening point below 0°C. This is because above this temperature, mesophase pitch cannot be spun into carbon fibers that have the desired physical and chemical properties to enhance the properties of graphite nipples.

【0021】炭素繊維製造プロセスにおいて、メソフェ
ーズピッチは、繊維フィラメントに紡糸され、高温、例
えば350℃で酸化的に安定化され、ついで不活性雰囲
気中1800℃またはそれ以上の温度で熱処理する。本
発明に有用な炭素繊維は、直径および長さが様々である
。通常、繊維の直径は、約3ないし約20ミクロンであ
る。繊維は、使用する前に、1/2インチないし2イン
チまたはそれ以上の都合のよい長さに切断してもよい。 繊維は、コークスとともに延ばされ、繊維に対するエキ
ステンダーの作用の結果、コークス中において長さがラ
ンダムである。繊維は、エキステンダーにより実質的に
配向され、記述した望ましいCTE効果を提供する。
[0021] In the carbon fiber manufacturing process, mesophase pitch is spun into fiber filaments, oxidatively stabilized at elevated temperatures, such as 350°C, and then heat treated at temperatures of 1800°C or higher in an inert atmosphere. Carbon fibers useful in the present invention vary in diameter and length. Typically, the fiber diameter is about 3 to about 20 microns. The fibers may be cut into convenient lengths of 1/2 inch to 2 inches or more before use. The fibers are elongated with the coke and are random in length in the coke as a result of the action of the extender on the fibers. The fibers are substantially oriented by the extender to provide the desired CTE effect described.

【0022】好ましい態様において、グラファイト化後
の炭素繊維は、200×103 psiより大きい、好
ましくは、約200×103 psiないし約300×
103 psiの引張強さを有し、55×106 ps
iより大きい、好ましくは、約55×106 ないし約
120×106 の弾性ヤング率を有し、250×10
6 オームセンチメートル未満の電気抵抗率を有する。
In a preferred embodiment, the carbon fibers after graphitization are greater than 200 x 103 psi, preferably from about 200 x 103 psi to about 300 x
Has a tensile strength of 103 psi and 55 x 106 ps
i, preferably from about 55 x 106 to about 120 x 106, and 250 x 10
It has an electrical resistivity of less than 6 ohm centimeters.

【0023】メソフェーズピッチから製造された炭素繊
維は、ゼロまたは負の縦方向CTE値を有し、好ましい
。そのような炭素繊維を使用すると、プレミアムコーク
ス単独から得られたものよりも縦方向CTEが減少し、
プレミアムコークスにより提供されるものよりも横断方
向CTEが増加したニップルが得られる。本明細書で使
用する「メソフェーズ炭素繊維」は、メソフェーズ含有
ピッチから製造される炭素繊維を意味し、該繊維は、ゼ
ロまたは負の縦方向CTEを有する。
Carbon fibers made from mesophase pitch have zero or negative longitudinal CTE values and are preferred. The use of such carbon fibers results in a reduced longitudinal CTE than that obtained from premium coke alone;
A nipple with increased cross-sectional CTE is obtained over that provided by premium coke. As used herein, "mesophase carbon fiber" refers to carbon fibers made from mesophase-containing pitch that have zero or negative machine direction CTE.

【0024】メソフェーズピッチは、溶融紡糸して繊維
を形成し、酸化されて架橋し、かくして再溶融が紡糸さ
れ、炭素化される。紡糸されたままの状態の繊維は、非
結晶質であるが高度に配向されており、分子層面が繊維
軸に沿って並ぶ。繊維軸に沿う芳香族分子の配向の分布
の最大の半分における全幅は、約25度ないし30度で
あり、層状面の約3/4が繊維軸の±15度の角度内に
ある。レイヨンやポリアクリロニトリルのようなセルロ
ース系炭素繊維は、非常に似ていないパターンを得るた
めに、約3500℃以上で熱延伸しなければならないこ
とに注目すべきである。
Mesophase pitch is melt spun to form fibers, oxidized and crosslinked, and thus remelted and carbonized. As-spun fibers are amorphous but highly oriented, with molecular layer planes aligned along the fiber axis. The full width at the widest half of the distribution of aromatic molecule orientation along the fiber axis is about 25 degrees to 30 degrees, with about 3/4 of the lamellar planes within an angle of ±15 degrees of the fiber axis. It should be noted that cellulosic carbon fibers such as rayon and polyacrylonitrile must be hot drawn at temperatures above about 3500° C. to obtain very dissimilar patterns.

【0025】紡糸したままの炭素繊維は、高度に配向し
系統だった構造を有するので、熱的にグラファイト化し
得、高温延伸をすることなくグラファイトの理論限界に
近い極度に高いモジュラス(例えば、1×106 MP
a)を達成できる。
Because the as-spun carbon fibers have a highly oriented and systematic structure, they can be thermally graphitized and have extremely high moduli (eg, 1 ×106 MP
A) can be achieved.

【0026】グラファイトニップルを製造するプロセス
において、メソフェーズ炭素繊維の添加は、プレミアム
コークス単独を用いて得られるものと比べて、ニップル
の縦方向CTEを減少させ、横方向CTEを増加させる
。縦方向CTEの減少および横方向CTEの増加の正確
な割合は、プレミアムコークスの性質および使用する紡
糸したままの炭素繊維の性質に依存する。
In the process of making graphite nipples, the addition of mesophase carbon fibers reduces the longitudinal CTE and increases the transverse CTE of the nipple compared to that obtained using premium coke alone. The exact rate of machine direction CTE reduction and cross direction CTE increase will depend on the nature of the premium coke and the as-spun carbon fiber properties used.

【0027】炭素繊維の製造に採用する手法および条件
は、既知のものであり、従って、それらは、本発明の重
要な特徴を構成しない。石油系であれ石炭系であれピッ
チからの炭素繊維またはポリアクリロニトリル炭化プロ
セスからの炭素繊維が使用できる。しかしながら、メソ
フェーズピッチを含有するピッチからの繊維が、経済性
および特性の点で好ましい。炭素繊維の製造方法につい
ての一般的な開示は、シンガーに対して発行された米国
特許第4,005,183号に含まれている。
The techniques and conditions employed in the production of carbon fibers are known and therefore they do not constitute an important feature of the invention. Carbon fibers from pitch, whether petroleum or coal-based, or carbon fibers from polyacrylonitrile carbonization processes can be used. However, fibers from pitches containing mesophase pitch are preferred for economics and properties. A general disclosure of methods for making carbon fiber is contained in US Pat. No. 4,005,183 issued to Singer.

【0028】[0028]

【実施例】以下の実施例は、本発明をより具体的に説明
するものである。本実施例は、本発明を例示するもので
あって、限定するものではない。
EXAMPLES The following examples explain the present invention more specifically. This example is intended to illustrate the invention, but not to limit it.

【0029】実施例 本実施例で用いたプレミアムコークスは、粉末試料で、
3/4インチ径電極縦方向CTE1.5×10−7/℃
を有する市販のコークスであった。グリーン電極を70
ミリメートル直径の押し出し機から押し出し、焼成し、
グラファイト化した。基本ケースのコークス組成および
炭素繊維ケースのそれは、25重量%の8×16メッシ
ュ粒子、25重量%の20×40メッシュ粒子、および
50重量%の粉(−100メッシュ粒子)を含有するも
のであった。この粉は、さらに、50重量%の100×
200メッシュ粒子および50重量%の−200メッシ
ュ粒子に分けられれた。バインダーピッチは、アライド
・ケミカル社により供給されたコールタールピッチ(N
o.30メディアム)であった。本実施例で用いたメソ
フェーズピッチは、ユニオン・カーバイド社から供給さ
れた市販のスプール繊維(P55)であった。このユニ
オン・カーバイド繊維は、フューエル、第60巻、ナン
バー9、839ないし847頁、9月、1981に記載
されている。このP55メソフェーズピッチは、−0.
9×10−6/℃のCTE、および8ないし12ミクロ
ンの直径を持っていた。この繊維を2インチの長さに切
断し、押し出しブレンドに含めた。メソフェーズ炭素繊
維を含有する、または含有しない押し出されたブレンド
の組成および性質は、以下の表に示されている。
Example The premium coke used in this example was a powder sample.
3/4 inch diameter electrode longitudinal CTE 1.5 x 10-7/℃
It was a commercially available coke with a 70 green electrodes
Extruded from a millimeter diameter extruder, fired,
Graphitized. The coke composition of the base case and that of the carbon fiber case is one containing 25 wt% 8x16 mesh particles, 25 wt% 20x40 mesh particles, and 50 wt% powder (-100 mesh particles). Ta. This powder further contains 50% by weight of 100×
It was divided into 200 mesh particles and 50% by weight of -200 mesh particles. The binder pitch was coal tar pitch (N
o. 30 medium). The mesophase pitch used in this example was commercially available spool fiber (P55) supplied by Union Carbide. This union carbide fiber is described in Fuel, Volume 60, Number 9, Pages 839-847, September 1981. This P55 mesophase pitch is -0.
It had a CTE of 9 x 10-6/°C and a diameter of 8 to 12 microns. The fibers were cut into 2 inch lengths and included in the extrusion blend. The composition and properties of the extruded blends with and without mesophase carbon fibers are shown in the table below.

【0030】   表                          
 電極ニップルの特性               
                       見掛
け      電気          破壊ブレンド
      CTEL     CTET     の
密度      抵抗率        係数組成  
       x10−7/ ℃   x10−7/ 
℃      g/cc     x10−4in−o
hm     psi基本ケース    4.3   
   20.6    1.62    3.2513
40 76%プレミアムコーク 22%コールタールピッチ 1.5%鉄酸化物 0.5%潤滑剤 メソフェーズ炭素 繊維添加      1.3      21.4  
  1.60    3.571156 63%プレミアムコークス 22%コールタールピッチ 1.5%鉄酸化物 0.5%潤滑剤 13%炭素繊維 上記表に示されているように、13重量%のメソフェー
ズピッチを添加すると、縦方向CTEが、4.3×10
−7/℃から1.3×10−7/℃に減少し、横方向C
TEが、20.6×10−7/℃から21.4×10−
7/℃に増加し、また、基本ケースの密度電気抵抗率お
よび強さのレベルが維持された。基本ケースおよびメソ
フェーズ炭素繊維系電極の外観および組織は、実質的に
同一であった。
Table
Characteristics of electrode nipple
Apparent Electric Breakdown Blend CTEL CTET Density Resistivity Coefficient Composition
x10-7/℃ x10-7/
°C g/cc x10-4in-o
hm psi basic case 4.3
20.6 1.62 3.2513
40 76% premium coke 22% coal tar pitch 1.5% iron oxide 0.5% lubricant mesophase carbon fiber addition 1.3 21.4
1.60 3.571156 63% premium coke 22% coal tar pitch 1.5% iron oxide 0.5% lubricant 13% carbon fiber 13% by weight mesophase pitch added as shown in the table above Then, the vertical CTE is 4.3×10
-7/°C to 1.3×10-7/°C, lateral C
TE is 20.6×10-7/℃ to 21.4×10-
7/°C and also maintained the density electrical resistivity and strength levels of the base case. The appearance and texture of the base case and mesophase carbon fiber-based electrodes were substantially the same.

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  (a)350℃未満の融点を有するメ
ソフェーズピッチから製造された炭素繊維を、焼成コー
クスおよびバインダーに加えて、押し出しブレンドを形
成する工程、 (b)該押し出しブレンドを押し出して、伸長した炭素
ニップルを形成する工程、 (c)該炭素ニップルを、該炭素ニップルを焼成させる
に充分な時間、約538℃を越える温度に供する工程、
および (d)該焼成炭素ニップルを、該炭素ニップルをグラフ
ァイト化させるに充分な時間、約2704℃を越える温
度に供する工程を包含する、グラファイト電極を接続す
るために好適なグラファイトニップルの製造方法。
1. (a) adding carbon fibers made from mesophase pitch having a melting point below 350° C. to calcined coke and a binder to form an extrusion blend; (b) extruding the extrusion blend; forming an elongated carbon nipple; (c) subjecting the carbon nipple to a temperature greater than about 538° C. for a sufficient time to cause the carbon nipple to bake;
and (d) subjecting the calcined carbon nipple to a temperature above about 2704° C. for a sufficient time to graphitize the carbon nipple.
【請求項2】  メソフェーズピッチを炭素繊維に紡糸
する請求項1記載の方法。
2. The method of claim 1, wherein the mesophase pitch is spun into carbon fibers.
【請求項3】  押出し前に、押出しブレンドに少量の
鉄酸化物を添加することをさらに含む請求項1記載の方
法。
3. The method of claim 1 further comprising adding a small amount of iron oxide to the extrusion blend prior to extrusion.
【請求項4】  押出し前に、押出しブレンドに少量の
潤滑剤を添加することをさらに含む請求項1記載の方法
4. The method of claim 1 further comprising adding a small amount of lubricant to the extrusion blend prior to extrusion.
【請求項5】  グラファイトニップルのグラファイト
化炭素繊維が、200×103 psiよりも大きい引
張強さを有する請求項1記載の方法。
5. The method of claim 1, wherein the graphitized carbon fibers of the graphite nipple have a tensile strength greater than 200 x 103 psi.
【請求項6】  グラファイトニップルのグラファイト
化炭素繊維が、55×106 psiよりも大きい弾性
ヤング率を有する請求項1記載の方法。
6. The method of claim 1, wherein the graphitized carbon fibers of the graphite nipple have an elastic Young's modulus greater than 55×10 6 psi.
【請求項7】  (a)紡糸されたソフェーズピッチか
ら製造された炭素繊維約8重量%ないし約20重量%を
、プレミアムコークス約45重量%ないし約65重量%
およびバインダー約22重量%ないし約28重量%に加
えて、押し出しブレンドを形成する工程、(b)該押し
出しブレンドを押し出して、伸長した炭素ニップルを形
成する工程、 (c)該炭素ニップルを、約760℃ないし約982℃
の温度に約2週間ないし約5週間℃温度供して焼成され
た炭素ニップルを生成させる工程、および(d)該焼成
炭素ニップルを、約2,704℃を越える温度に約5日
ないし約14日間供してグラファイトニップルを生成さ
せる工程を包含する、グラファイト電極を接続するため
に好適なグラファイトニップルの製造方法。
7. (a) about 8% to about 20% by weight of carbon fiber made from spun sophase pitch and about 45% to about 65% by weight of premium coke;
and about 22% to about 28% by weight of a binder, forming an extruded blend; (b) extruding the extruded blend to form an elongated carbon nipple; (c) forming the carbon nipple into an elongated carbon nipple; 760℃ to about 982℃
(d) subjecting the fired carbon nipple to a temperature in excess of about 2,704° C. for about 5 days to about 14 days; A method for producing a graphite nipple suitable for connecting graphite electrodes, comprising the step of providing a graphite nipple to produce a graphite nipple.
【請求項8】  炭素繊維を生成するために使用するメ
ソフェーズピッチが、350℃未満の融点を有する請求
項7記載の方法。
8. The method of claim 7, wherein the mesophase pitch used to produce the carbon fibers has a melting point of less than 350°C.
【請求項9】  押出しブレンドに約0.01重量%な
いし約2.5重量%の鉄酸化物を添加することをさらに
含む請求項7記載の方法。
9. The method of claim 7 further comprising adding from about 0.01% to about 2.5% by weight of iron oxide to the extrusion blend.
【請求項10】  押出しブレンドに約0.01重量%
ないし約4重量%の潤滑剤を添加することをさらに含む
請求項7記載の方法。
10. About 0.01% by weight in the extrusion blend.
8. The method of claim 7 further comprising adding from about 4% by weight of a lubricant.
【請求項11】  グラファイトニップルのグラファイ
ト化炭素繊維が、約200×103 psiないし約3
00×103 psiの引張強さを有する請求項7記載
の方法。
11. The graphitized carbon fiber of the graphite nipple has a pressure of about 200 x 103 psi to about 3
8. The method of claim 7 having a tensile strength of 00 x 103 psi.
【請求項12】  グラファイトニップルが、約55×
106 psiないし約120×106 psiの弾性
ヤング率を有する請求項7記載の方法。
12. The graphite nipple is approximately 55×
8. The method of claim 7, having an elastic Young's modulus of 106 psi to about 120 x 106 psi.
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